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JP2007502477A - Power consumption monitoring and control - Google Patents

Power consumption monitoring and control Download PDF

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JP2007502477A
JP2007502477A JP2006530872A JP2006530872A JP2007502477A JP 2007502477 A JP2007502477 A JP 2007502477A JP 2006530872 A JP2006530872 A JP 2006530872A JP 2006530872 A JP2006530872 A JP 2006530872A JP 2007502477 A JP2007502477 A JP 2007502477A
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JP
Japan
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power consumption
signal
input
electronic circuit
circuit
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JP2006530872A
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Japanese (ja)
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ホセ、デ.ホタ.ピネダ、デ、ギベス
ヨセプ、リウス、バスケス
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Koninklijke Philips NV
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Koninklijke Philips Electronics NV
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0008Arrangements for reducing power consumption
    • H03K19/0016Arrangements for reducing power consumption by using a control or a clock signal, e.g. in order to apply power supply
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K19/20Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits characterised by logic function, e.g. AND, OR, NOR, NOT circuits
    • H03K19/21EXCLUSIVE-OR circuits, i.e. giving output if input signal exists at only one input; COINCIDENCE circuits, i.e. giving output only if all input signals are identical
    • H03K19/215EXCLUSIVE-OR circuits, i.e. giving output if input signal exists at only one input; COINCIDENCE circuits, i.e. giving output only if all input signals are identical using field-effect transistors

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Abstract

本発明は、電力消費をモニタおよび制御するための電子回路、装置および方法に関する。したがって、クロック信号(CLK)と、入力信号(I)とを受信し、出力信号(O)を供給することができる、1つまたは複数のシーケンシャルロジック素子(12)を含む電子回路、装置および方法が提供される。シーケンシャルロジック素子(12)は、入力および出力信号(I,O)をモニタし、入力および出力信号(I,O)に応じて制御信号(CS)を供給するための回路(20)をさらに備え、ICの電力消費を、制御信号に応じて操作可能に制御することができる。  The present invention relates to electronic circuits, devices and methods for monitoring and controlling power consumption. Thus, an electronic circuit, apparatus and method comprising one or more sequential logic elements (12) capable of receiving a clock signal (CLK) and an input signal (I) and providing an output signal (O) Is provided. The sequential logic element (12) further includes a circuit (20) for monitoring the input and output signals (I, O) and supplying a control signal (CS) according to the input and output signals (I, O). The power consumption of the IC can be controlled to be operable according to the control signal.

Description

本発明は、少なくとも1つのシーケンシャルロジック素子を含む電子回路であって、シーケンシャルロジック素子が、クロック信号を受信するための少なくとも1つのクロック端子と、入力信号を受信するための少なくとも1つの入力端子と、出力信号を供給するための少なくとも1つの出力端子と、を備える、電子回路に関する。本発明は、また、上述の特徴を有する電子回路を含む装置、およびこのような電子回路の電力消費を制御する方法に関する。   The present invention is an electronic circuit including at least one sequential logic element, wherein the sequential logic element includes at least one clock terminal for receiving a clock signal, and at least one input terminal for receiving an input signal. And at least one output terminal for supplying an output signal. The invention also relates to a device comprising an electronic circuit having the characteristics described above and a method for controlling the power consumption of such an electronic circuit.

国際特許出願第01/48584号“デジタル電力スロットルを有するマイクロプロセッサ(Microprocessor with digital power throttle)”は、マイクロプロセッサの電力消費をデジタルモニタするための方式を述べている。   International Patent Application No. 01/48584 “Microprocessor with digital power throttle” describes a scheme for digital monitoring of microprocessor power consumption.

一般的に、当該技術では、例えば集積回路(IC)などの近代的な電子回路の電力消費および浪費の要件および基準は、その性能要件、すなわち機能、複雑さ、ダイサイズ、クロック速度等が増加するにつれ、より一層重要となりつつあることが知られている。さらに、電力消費の問題は、例えばバッテリ駆動コンピュータ、マルチメディア装置および携帯通信などの装置の設計および動作において、非常に重要な要素である。   In general, in the art, the power consumption and waste requirements and standards of modern electronic circuits such as integrated circuits (ICs) increase their performance requirements, ie, function, complexity, die size, clock speed, etc. As such, it is known that it is becoming more important. In addition, power consumption issues are a very important factor in the design and operation of devices such as battery-powered computers, multimedia devices and mobile communications.

さらに、当該技術では、高いクロックレートで動作し、よってアクティブな電子回路の部分を相当に有するICは、大量の熱を発生させることが、よく理解されている。この熱は、何らかの形で、ICおよび関連する装置から、最も迅速に、可能な限り効率的かつ高い費用効果で除去しなければならない。この熱の除去は、場合によっては、非常に複雑かつ高価となり、このこともまた、当該技術ではよく理解されている。   Furthermore, it is well understood in the art that ICs that operate at high clock rates and thus have a substantial portion of active electronic circuitry generate a large amount of heat. This heat must somehow be removed from the IC and associated equipment as quickly and as efficiently as possible and cost-effectively. This heat removal can be very complex and expensive in some cases, which is also well understood in the art.

ICの電力消費/浪費を操作するための様々な技術、回路およびシステムが、当業者に知られている。多くの研究努力が、許容可能な電力消費レベルで所望の性能基準を達成する回路および技術の設計に向けられている。電力消費は、例えば供給電圧、クロック周波数、スイッチングキャパシタンス、および回路スイッチング動作などの、複数の異なる要素に依存するため、このような要素の1つまたは組み合わせのいずれかによって電力消費を最小にするための、多くの異なる解決策が提案されている。さらに、リーク電流が、ICの電力消費量におけるより大きな要素となっており、それは、ICプロセス技術に変化が生じる際に経験される物理的な影響のためである。その直接の結果として、IC基板にバックバイアスを行なう、またはMTCMOS技術を用いるなどの解決策が、これらのリーク電流を制御してICの電力消費を管理するための効率的な方法として提案されている。   Various techniques, circuits and systems for manipulating the power consumption / waste of an IC are known to those skilled in the art. Much research effort is directed to the design of circuits and technologies that achieve the desired performance criteria at an acceptable power consumption level. Because power consumption depends on a number of different factors such as supply voltage, clock frequency, switching capacitance, and circuit switching behavior, to minimize power consumption by either one or a combination of such factors Many different solutions have been proposed. In addition, leakage current is a larger factor in IC power consumption because of the physical effects experienced when changes occur in IC process technology. As a direct result, solutions such as back-biasing the IC substrate or using MTCMOS technology have been proposed as an efficient way to control these leakage currents to manage IC power consumption. Yes.

IC電力消費を減少させる努力のほとんどは、ICの設計段階にて行なわれ、この段階では、ICの電力消費に関する情報が、状況および統計データから集められる。市販されているソフトウェアベースの電力消費シミュレータが存在し、電力消費の観点から、最適な回路の設計をいくらか補助している。しかし、これらの電力消費シミュレータは、一連の固定条件に従って電力リソースを最適化するものであり、このことは明らかに不利である。   Most efforts to reduce IC power consumption are made during the IC design phase, where information about IC power consumption is gathered from status and statistical data. There are commercially available software-based power consumption simulators that assist in the design of optimal circuits from a power consumption perspective. However, these power consumption simulators optimize power resources according to a set of fixed conditions, which is clearly disadvantageous.

国際特許出願第01/48584号においては、マイクロプロセッサが、様々な機能ユニットに分割され、その各々が、デジタルワードに符号化された固有の固定‘電力ウェイト’を有し、この電力ウェイトは、調整プロセスによって決定する必要がある。マイクロプロセッサが、所定のプログラムを実行すると、各機能ユニットの状態がデジタルで、すなわちアクティブまたは非アクティブのいずれかとしてモニタされ、この情報は、特別なモニタユニットに渡される。このモニタユニットは、非アクティブな機能ユニットに関連する電力ウェイトを無視するが、アクティブな機能ユニットの電力ウェイトを加算し、その合計を、予想される最大電力消費を表すしきい値と比較する。合計がしきい値を超える場合、クロック周波数を下げることにより、または命令パイプラインにバブルを導入することにより、命令実行レートが減少される。合計がしきい値よりも低い場合、何の動作も行なわれない。   In International Patent Application No. 01/48584, a microprocessor is divided into various functional units, each having a unique fixed 'power weight' encoded in a digital word, which power weight is Must be determined by the adjustment process. When the microprocessor executes a predetermined program, the state of each functional unit is monitored digitally, ie either active or inactive, and this information is passed to a special monitoring unit. The monitor unit ignores the power weights associated with the inactive functional units, but adds the power weights of the active functional units and compares the sum to a threshold that represents the maximum expected power consumption. If the sum exceeds the threshold, the instruction execution rate is reduced by reducing the clock frequency or introducing bubbles in the instruction pipeline. If the sum is below the threshold, no action is taken.

電力消費操作技術の他のいくつかの例は、システムクロックの周波数を、特に行なわれるデータ処理タスクに応じて、その最適なレートに調整すること、所定の状況のセットに応じて電力供給を調整すること、または電力の供給を完全に除去すること、を含む。   Some other examples of power consuming operating techniques include adjusting the frequency of the system clock to its optimal rate, especially depending on the data processing task being performed, and adjusting the power supply according to a predetermined set of circumstances Or completely removing the supply of power.

当業者に知られている、ICにより生成される熱を放散させるための多くの様々な方法および装置のいくつかとして、例えば、ヒートシンクおよび液体冷却が挙げられる。このような方法および技術は、ほとんどの場合、費用および空間の両面において、手の込んだ高価なものとなり得る。   Some of the many different methods and devices known to those skilled in the art for dissipating the heat generated by an IC include, for example, heat sinks and liquid cooling. Such methods and techniques can often be elaborate and expensive in both cost and space.

国際特許出願第01/48584号に開示される方式は、いくつかの典型的な短所を有する。そのような短所の1つは、電力消費がデジタルでモニタされることである。さらなる短所は、電力消費が入力データの質と種類に大きく依存するため、機能ユニットのそれぞれによって消費される電力が、‘固定ウェイト’解決策によって上手く表されないこと、および、機能ユニットのそれぞれを、それらの適切な電力ウェイトを定義するために調整する必要があることである。   The scheme disclosed in International Patent Application No. 01/48584 has several typical disadvantages. One such disadvantage is that power consumption is monitored digitally. A further disadvantage is that power consumption is highly dependent on the quality and type of input data, so the power consumed by each of the functional units is not well represented by the 'fixed weight' solution, and each of the functional units is The need to adjust to define their proper power weights.

本発明の目的は、電力消費の改善された削減を提供することである。   An object of the present invention is to provide an improved reduction in power consumption.

本発明は、独立請求項によって定義される。   The invention is defined by the independent claims.

従属請求項は、本発明の有利な実施形態を定義する。   The dependent claims define advantageous embodiments of the invention.

この目的は、前記電子回路が、入力信号および出力信号をモニタし、入力信号および出力信号に応じて制御信号を供給する回路をさらに備え、電子回路の電力消費を、制御信号に応じて操作可能に制御できることで実現される。   The purpose of the electronic circuit further includes a circuit that monitors an input signal and an output signal and supplies a control signal according to the input signal and the output signal, and the power consumption of the electronic circuit can be operated according to the control signal. It is realized by being able to control to.

本発明の回路の一実施形態によると、電子回路は、クロック信号により決定されるレートで制御されることが可能である。このような実施形態は、クロックレートにおけるどのような変化も、電子回路全体に加えられる、という利点を有する。したがって、電力の節約が要求される場合、この節約を迅速かつ大規模に実効することができる。   According to one embodiment of the circuit of the present invention, the electronic circuit can be controlled at a rate determined by the clock signal. Such an embodiment has the advantage that any change in the clock rate is applied to the entire electronic circuit. Thus, when power savings are required, this savings can be implemented quickly and on a large scale.

本発明の回路の他の実施形態によると、電子回路は、将来の電力消費に関する情報を供給することが可能である。将来の電力消費またはその見込みを知ることまたは予測することは、電力消費をアクティブに制御する場合に、明らかな利点を持つことができる。決定を、通常の状況下では電力消費の増加をもたらす既知の、または‘起こりそうな’見込みがあるイベントに先立って、行うことができる。   According to another embodiment of the circuit of the present invention, the electronic circuit can provide information regarding future power consumption. Knowing or predicting future power consumption or its likelihood can have obvious advantages when actively controlling power consumption. A decision can be made prior to a known or 'probable' likely event that would result in increased power consumption under normal circumstances.

さらに、本発明の回路の他の実施形態によると、電子回路は、過去のロジカルイベントに基づいて、事前に将来の電力消費を制御可能にさせる能力を有する。将来の電力消費またはその見込みを、過去のイベントに基づいて、知ることまたは予測することは、電力消費をアクティブに制御する場合に、明らかな利点を持つことができる。再び、重要な事前の電力節約の決定を、既知の、または‘起こりそうな’見込みがあるイベントに関して、行うことができる。   Furthermore, according to another embodiment of the circuit of the present invention, the electronic circuit has the ability to allow future power consumption to be controlled in advance based on past logical events. Knowing or predicting future power consumption or its likelihood based on past events can have obvious advantages when actively controlling power consumption. Again, significant prior power saving decisions can be made for known or 'probable' likely events.

本発明の電子回路、装置および方法の他の特性および利点は、添付の好適な図面および以下の説明によって、またはそれらから、明らかにすることができる。   Other features and advantages of the electronic circuit, apparatus and method of the present invention can be made apparent from or from the accompanying preferred drawings and the following description.

本発明の回路は、IC、特にCMOSプロセス技術のICを参照して述べられるが、当業者には、その基礎をなす原則が、他の電子回路およびICプロセス技術にも適用可能であることが、理解されるであろう。   The circuit of the present invention will be described with reference to ICs, particularly ICs in CMOS process technology, although those skilled in the art will recognize that the underlying principles are applicable to other electronic circuits and IC process technologies. Will be understood.

デジタルICの電力消費は、2つの個別のカテゴリーに分けることができる。第1のカテゴリーは、動的電力消費であり、第2は、静的電力消費である。   The power consumption of digital ICs can be divided into two separate categories. The first category is dynamic power consumption, and the second is static power consumption.

動的電力消費は、ICのデジタル回路内で発生するロジック状態変化の間に生じる。一方、静的電力消費は、デジタル回路が安定した、または静止した状態にある場合に生じる。動的電力消費は、CMOSなどの充電制御回路の電力消費において支配的な要素であり、回路を形成する様々な素子のノードが、適切な入力刺激によって状態を変化させる場合に生じる。   Dynamic power consumption occurs during logic state changes that occur in the digital circuitry of the IC. On the other hand, static power consumption occurs when the digital circuit is in a stable or stationary state. Dynamic power consumption is a dominant factor in the power consumption of charge control circuits such as CMOS, and occurs when the nodes of the various elements that form the circuit change states with appropriate input stimuli.

簡潔さの観点から、ここでの用語“電力”の使用は、実際の電力、または、実際の電力に比例し若しくはこれを示す、例えば電流、電圧若しくは他の基準などの値の、一方を含む。   For the sake of brevity, use of the term “power” herein includes either actual power or a value, such as current, voltage or other criteria, that is proportional to or indicative of actual power. .

図1を参照すると、デジタル回路10のこの特定の例は、時にはフリップフロップまたはシーケンシャルロジックとも呼ばれる一連のD型データラッチ12a〜12eと、2つの組み合わせロジックブロック14,16とを備える。   Referring to FIG. 1, this particular example of digital circuit 10 comprises a series of D-type data latches 12a-12e, sometimes referred to as flip-flops or sequential logic, and two combinational logic blocks 14,16.

なお、本発明を記述するために、D型のフロップフロップを説明および図示したことに留意されたい。しかしながら、本発明の目的および利点は、当業者に理解されるように、例えばJ−KまたはS−R型のフリップフロップなどの、シーケンシャルなあるいはそれ以外の、他の種類のロジックを使用することにより達成することもできる。さらに、組み合わせロジックブロック14,16は、例えば処理ロジックブロックおよびデータパスロジックブロックの概略的な例示を意図している。   It should be noted that a D-type flop flop has been described and illustrated to describe the present invention. However, the purpose and advantages of the present invention are to use other types of logic, sequential or otherwise, such as JK or SR type flip-flops, as will be appreciated by those skilled in the art. Can also be achieved. Further, the combinational logic blocks 14 and 16 are intended to be schematic examples of processing logic blocks and data path logic blocks, for example.

図1を参照すると、フリップフロップ12aは、入力信号I1を受信して、適当な出力信号O1を生成し、この出力信号O1は、第1ロジックブロック14への第1入力信号として機能する。フリップフロップ12bは、第1ロジックブロック14からの第1出力信号である入力信号I2を受信して、適当な出力信号O2を生成し、この出力信号O2は、第2ロジックブロック16への第1入力信号として機能する。フリップフロップ12cは、第2ロジックブロック16からの第1出力信号である入力信号I3を受信し、適当な出力信号O3を生成する。フリップフロップ12dは、第1ロジックブロック14からの第2出力信号である入力信号I4を受信し、適当な出力信号O4を生成し、この出力信号O4は、第1ロジックブロック14への第2入力信号として機能する。フリップフロップ12eは、第2ロジックブロック16からの第2出力信号である入力信号I5を受信し、適当な出力信号O5を生成し、この出力信号O5は、第2ロジックブロック16への第2入力信号として機能する。フリップフロップ12a〜12eのそれぞれは、また、クロック信号CLKを受信し、クロック信号CLKは、操作可能なゲート入力および出力信号に使用される。   Referring to FIG. 1, the flip-flop 12 a receives an input signal I 1 and generates an appropriate output signal O 1, and this output signal O 1 functions as a first input signal to the first logic block 14. The flip-flop 12 b receives the input signal I 2 that is the first output signal from the first logic block 14 and generates an appropriate output signal O 2, and this output signal O 2 is the first output to the second logic block 16. Functions as an input signal. The flip-flop 12c receives the input signal I3 which is the first output signal from the second logic block 16, and generates an appropriate output signal O3. The flip-flop 12d receives the input signal I4, which is the second output signal from the first logic block 14, and generates an appropriate output signal O4. The output signal O4 is the second input to the first logic block 14. Functions as a signal. The flip-flop 12e receives the input signal I5, which is the second output signal from the second logic block 16, and generates an appropriate output signal O5. The output signal O5 is the second input to the second logic block 16. Functions as a signal. Each of flip-flops 12a-12e also receives a clock signal CLK, which is used for operable gate input and output signals.

フリップフロップ12a〜12eのいずれのデータ内容も変化しない場合、ロジック状態の変化がないため、図1に示された回路の動的電力消費は、この例示のためには、クロック信号CLKは無視して、ゼロとなる。しかしながら、状態変化が、適当な刺激により、フリップフロップ12a〜12eの1つまたは複数およびロジックブロック14,16のいずれか1つまたは両方あるいはその各部で起こる場合、この状態変化は、回路10中に伝播する。このような伝播は、一定量の動的電力消費を、回路10内に生成する。したがって、所定のクロックサイクルにわたって、回路10を構成する素子内で発生する状態変化の数に比例するレートで電力が消費される。平均すると、状態を変化させる素子の数が多いほど、すなわち、回路の‘活動’が激しいほど、電力消費も大きい。したがって、所定のクロックサイクルで状態を変化させる素子の数を知ることは、この特定のクロックサイクルに対して、電力消費への直接の相関を提供する。なお、近代的なデジタルIC設計方法論およびツールは、事前にかなりの正確さで、入力刺激に反応してどの状態変化が発生するか、およびこのような変化がどこで起こるかを、設計者が知ることを可能にすることに留意されたい。このような事前知識は、以下の説明から明らかとなるように、有利である。   If none of the data contents of flip-flops 12a-12e change, there is no change in logic state, so the dynamic power consumption of the circuit shown in FIG. And zero. However, if a state change occurs in one or more of the flip-flops 12a-12e and / or one or both of the logic blocks 14, 16 with appropriate stimulation, the state change is caused in the circuit 10. Propagate. Such propagation creates a certain amount of dynamic power consumption in the circuit 10. Therefore, power is consumed over a predetermined clock cycle at a rate proportional to the number of state changes that occur in the elements making up the circuit 10. On average, the more elements that change state, i.e., the more 'active' the circuit is, the greater the power consumption. Thus, knowing the number of elements that change state in a given clock cycle provides a direct correlation to power consumption for this particular clock cycle. It should be noted that modern digital IC design methodologies and tools allow designers to know in advance which state changes will occur in response to input stimuli and where such changes will occur. Note that it makes it possible. Such prior knowledge is advantageous as will become apparent from the following description.

回路の電力消費、すなわち活動が、リアルタイムで知られている場合、この知識から、それに応じた回路10の動作、よってその後の電力消費、を操作可能に制御することが可能である。このような制御は、例えば、回路10の素子内の状態変化、電源電圧の調整、ICのバックバイアスすなわち基板電圧の調整、または制御信号の周波数の調整を含む。当業者は、前述の例示的な制御技術は、他に加え、多くの変化する度合いおよび組み合わせにおいて使用して、電力消費および性能を減少させることができることを理解するであろう。よって、回路10の活動をモニタして電力消費の確立を可能にする能力を有することは、以下の本発明の好適な説明および例示から明らかとなるように、集積回路の全体性能を上げることに関して有利である。   If the power consumption, i.e. activity, of the circuit is known in real time, from this knowledge it is possible to operably control the operation of the circuit 10 and thus the subsequent power consumption. Such control includes, for example, state changes in the elements of the circuit 10, power supply voltage adjustment, IC back-bias or substrate voltage adjustment, or control signal frequency adjustment. Those skilled in the art will appreciate that the exemplary control techniques described above can be used in many other varying degrees and combinations to reduce power consumption and performance. Thus, having the ability to monitor the activity of the circuit 10 and allow the establishment of power consumption is related to increasing the overall performance of the integrated circuit, as will become apparent from the preferred description and illustration of the invention below. It is advantageous.

適当な入力刺激に応じて、いずれかのフリップフロップ12の内容が変化した場合、このような変化は、回路10を通じて伝播し、一定量の動的電力消費を生成する。その後、しかし次のクロックCLKのエッジのいくらか前に、フリップフロップ12の入力における新たなロジック状態値11〜15が決定され、よって、フリップフロップ12に、新たな活動サイクルに対する準備をさせる。これにより、回路10の電力消費は、各クロックサイクルにおいて状態を変化させるフリップフロップ12の数に依存する。したがって、適切なスイッチングノード、すなわちフリップフロップ入力および出力端子、DおよびQのそれぞれにおける活動を、各クロックサイクルの間に操作可能にモニタすることにより、回路10の電力消費を確立することができる。適切なスイッチングノードは、ICの設計サイクルの一部として、容易に決定することができる。先に述べたように、近代的な設計方法論およびツールは、どのデータパス、よって回路が、既知の入力刺激に対してアクティブとなるかを、設計者が決めることを可能にする。この事前知識を用いて、モニタを、回路内の最も適当なノードに戦略的に配置することができる。これは、例えば、ロジックブロックの特性が知られている場合に、モニタの数が最小に維持できるため、特に有利であり、よって、他の方法ではモニタによって占められる電力およびエリアを減少させる。   If the contents of any flip-flop 12 change in response to an appropriate input stimulus, such changes propagate through circuit 10 and generate a certain amount of dynamic power consumption. Thereafter, but some time before the next clock CLK edge, a new logic state value 11-15 at the input of flip-flop 12 is determined, thus preparing flip-flop 12 for a new active cycle. Thereby, the power consumption of the circuit 10 depends on the number of flip-flops 12 that change state in each clock cycle. Thus, power consumption of the circuit 10 can be established by operably monitoring the activity at each of the appropriate switching nodes, ie, flip-flop input and output terminals, D and Q, during each clock cycle. Appropriate switching nodes can be readily determined as part of the IC design cycle. As previously mentioned, modern design methodologies and tools allow the designer to determine which data path and thus the circuit is active for a known input stimulus. With this prior knowledge, monitors can be strategically placed at the most appropriate nodes in the circuit. This is particularly advantageous because, for example, when the logic block characteristics are known, the number of monitors can be kept to a minimum, thus reducing the power and area occupied by the monitors in other ways.

本発明によると、電子回路が回路10に加えられ、その活動をモニタし、すなわち決定する。基本的に、このモニタリングは、いくつかの付加的な回路を、すべてのフリップフロップ12またはその一定部分のいずれかに加えて、回路10の活動をモニタすることにより達成される。   In accordance with the present invention, an electronic circuit is added to the circuit 10 to monitor or determine its activity. In essence, this monitoring is accomplished by adding some additional circuitry to all flip-flops 12 or any portion thereof to monitor circuit 10 activity.

図2を参照すると、活動モニタ20が、本発明に基づき、回路の活動およびその後の電力消費をモニタリングする目的で用いられる基本的な構成単位である。   Referring to FIG. 2, an activity monitor 20 is the basic building block used for the purpose of monitoring circuit activity and subsequent power consumption in accordance with the present invention.

フリップフロップ、すなわちロジックステージ12は、この特定の例では、関連する2つの入力と、1つの出力と、活動モニタ20とを有する。活動モニタ20の第1の入力が、フリップフロップ12の入力Dに接続され、活動モニタ12の第2の入力が、フリップフロップ12の出力Qに接続される。活動モニタ20は、出力信号CSを生成し、出力信号CSは、フリップフロップ12の各DおよびQ端子における入力および出力信号I,Qの状態によって決定される。   The flip-flop, or logic stage 12, in this particular example, has two associated inputs, one output, and an activity monitor 20. The first input of the activity monitor 20 is connected to the input D of the flip-flop 12, and the second input of the activity monitor 12 is connected to the output Q of the flip-flop 12. The activity monitor 20 generates an output signal CS, which is determined by the state of the input and output signals I and Q at each D and Q terminal of the flip-flop 12.

図3を参照すると、電力消費を決定する1つの方法は、スイッチングするフリップフロップ12の数により示されるように、モニタする必要がある各フリップフロップ12の入力および出力端子D,Qの間に、2入力のXORロジックゲート30を接続することである。この特定の実施形態では、フリップフロップ12は、フリップフロップ12の入力端子Dにおける入力信号Iの値が、その対応する出力端子Qにおける出力信号Oの値と等しくない場合にのみ、状態を変化させる。   Referring to FIG. 3, one method of determining power consumption is between the input and output terminals D and Q of each flip-flop 12 that need to be monitored, as indicated by the number of flip-flops 12 that switch. Connecting two input XOR logic gates 30. In this particular embodiment, flip-flop 12 changes state only if the value of input signal I at input terminal D of flip-flop 12 is not equal to the value of output signal O at its corresponding output terminal Q. .

表1は、図3のXORロジックゲート活動モニタに関連する状態入力および出力値を示すロジック表である。

Figure 2007502477
Table 1 is a logic table showing the state input and output values associated with the XOR logic gate activity monitor of FIG.
Figure 2007502477

フリップフロップ12の入力および出力端子D,Qにおけるロジック状態が、それらが等しくなくなる、すなわちI≠Oとなるように変化した場合、XORゲート30からの出力信号CSは、ロジック‘ハイ’すなわち‘1’状態であり、これは、フリップフロップ12の状態変化を、よって回路のスイッチング活動を示す。したがって、各クロックサイクルにおけるロジック‘1’状態に変化したXOR出力信号CSの数をカウントすることにより、回路のスイッチング活動に関する必要な情報を提供する。この結果を、1クロックサイクル内で得ることが望ましいため、上述のカウンティングは、不図示の加算回路によって実行する必要がある。しかしながら、Nを整数とするN個のフリップフロップ12を有する回路では、図3の例示に基づくこのような実施は、N個の2入力XORゲート30と、N個の1ビット入力およびlogN個の出力を有する図示されないデジタル加算器とを必要とするであろう。当業者には、Nが大きくなり得るこの解決策は、以下に説明されるような他の解決策ほどには魅力的でないかもしれないと理解されるであろう。 If the logic state at the input and output terminals D, Q of the flip-flop 12 changes such that they are not equal, i.e., I ≠ O, the output signal CS from the XOR gate 30 is a logic 'high' or '1'. 'State, which indicates the state change of the flip-flop 12 and thus the switching activity of the circuit. Thus, counting the number of XOR output signals CS that have changed to a logic '1' state in each clock cycle provides the necessary information regarding the switching activity of the circuit. Since it is desirable to obtain this result within one clock cycle, the above-described counting needs to be executed by an adder circuit (not shown). However, in a circuit having N flip-flops 12 where N is an integer, such an implementation based on the illustration of FIG. 3 is implemented by N two-input XOR gates 30, N one-bit inputs and log 2 N A digital adder (not shown) having a number of outputs would be required. Those skilled in the art will appreciate that this solution where N may be large may not be as attractive as other solutions as described below.

図4を参照すると、活動モニタ20は、2つのPMOSトランジスタP1,P2および2つのNMOSトランジスタN1,N2を備える。   Referring to FIG. 4, the activity monitor 20 includes two PMOS transistors P1 and P2 and two NMOS transistors N1 and N2.

トランジスタP1およびP2のソース端子が、両方とも、プラス電源VDDに接続され、一方で、トランジスタN1およびN2のソース端子が、互いに接続され、活動モニタ20の出力端子40を形成する。この特定の好適な例示では、トランジスタP1およびN1のゲート端子が、両方とも、フリップフロップ12の入力端子Dに接続され、一方で、トランジスタP2およびN2のゲート端子が、両方とも、フリップフロップ12の対応する出力端子Qに接続される。4つのトランジスタP1、P2、N1およびN2のそれぞれの、各ドレイン端子が、すべて互いに接続される。   The source terminals of the transistors P1 and P2 are both connected to the positive power supply VDD, while the source terminals of the transistors N1 and N2 are connected together to form the output terminal 40 of the activity monitor 20. In this particular preferred illustration, the gate terminals of transistors P1 and N1 are both connected to the input terminal D of flip-flop 12, while the gate terminals of transistors P2 and N2 are both connected to flip-flop 12. Connected to the corresponding output terminal Q. The drain terminals of the four transistors P1, P2, N1, and N2 are all connected to each other.

この活動モニタ20が、フリップフロップ12での状態変化を検出するために、トランジスタP1、P2、N1、N2の各配置は、本質的に、差異を示す必要がある。   In order for the activity monitor 20 to detect a change in state at the flip-flop 12, each arrangement of transistors P1, P2, N1, N2 must essentially show a difference.

表2は、図4の活動モニタに関連する入力および出力ロジック状態ならびにその4つのトランジスタのそれぞれの導通状態の両方を示すロジック表である。

Figure 2007502477
Table 2 is a logic table showing both the input and output logic states associated with the activity monitor of FIG. 4 and the conduction state of each of its four transistors.
Figure 2007502477

見られるように、図4および表2に示されるトランジスタP1、P2、N1およびN2の配置および制御は、したがって、フリップフロップ12の任意のロジック状態変化、すなわち活動を検出することが可能な、差動電流ソースである。   As can be seen, the placement and control of the transistors P1, P2, N1 and N2 shown in FIG. 4 and Table 2 is thus a difference that can detect any logic state change, ie activity, of the flip-flop 12. A dynamic current source.

したがって、フリップフロップ12への入力信号I,Oが等しくない、すなわちI≠Oである場合にのみ、トランジスタのペア、P1とN2またはP2とN1のいずれかが、電流を導通する。逆に、フリップフロップ12への入力信号I,Oが等しい、すなわちI=Oである場合、トランジスタのペアP1,N2またはP2,N1のいずれも、導通せず、このような場合は、活動モニタ20の出力端子40は、高い出力インピーダンスを示し、したがって、電流は供給されない。   Therefore, only when the input signals I and O to the flip-flop 12 are not equal, i.e., I ≠ O, either the transistor pair, P1 and N2 or P2 and N1, conducts current. Conversely, if the input signals I and O to the flip-flop 12 are equal, i.e., I = O, then neither transistor pair P1, N2 or P2, N1 conducts, in which case the activity monitor Twenty output terminals 40 exhibit a high output impedance and therefore no current is supplied.

図5を参照すると、フリップフロップ12a〜12eのそれぞれが、それらの各入力および出力端子D,Qの間に操作可能に接続された、関連付けられた活動モニタ20a〜20eを有する。必要とされる場合、個別の活動モニタ20a〜20eによって生成された電流の合計を、それらの各出力端子40を互いに接続して共通の出力端子50を形成することによって、達成することができる。   Referring to FIG. 5, each of the flip-flops 12a-12e has an associated activity monitor 20a-20e operatively connected between their respective input and output terminals D, Q. If required, the sum of the currents generated by the individual activity monitors 20a-20e can be achieved by connecting their respective output terminals 40 together to form a common output terminal 50.

再び、適当な入力刺激によって、フリップフロップ12a〜12eの1つまたは複数およびロジックブロック14,16のいずれか一方または両方、あるいはその一部分で状態変化が生じた場合、この状態変化は、回路10中に伝播する。フリップフロップ12a〜12eのいずれかが状態を変化させた場合、その各活動モニタ20a〜20eが、その動作の差動モードにより、各電流を生成する。   Again, if a suitable input stimulus causes a state change in one or more of the flip-flops 12a-12e and / or one or both of the logic blocks 14, 16, this state change will occur in the circuit 10. Propagate to. When any of the flip-flops 12a to 12e changes state, each of the activity monitors 20a to 20e generates each current according to the differential mode of operation.

当業者には、関連するフリップフロップ12a〜20eの状態変化に応じて各活動モニタ20a〜20eにより生成される電流の量は、個別に設定および/または制御して、特定の適用または必要性に適合させることが可能であることが、理解されるであろう。   Those skilled in the art will be able to individually set and / or control the amount of current generated by each activity monitor 20a-20e in response to changes in the state of the associated flip-flops 12a-20e for a particular application or need. It will be appreciated that adaptations are possible.

活動モニタ20により生成される電流の量を設定する1つの方法は、アスペクト比、すなわち設計および製造段階で決定されるトランジスタP1、P2、N1およびN2のゲート幅Wと長さLの比を用いるものである。したがって、特定の活動モニタが、回路の大きな部分のモニタに関連付けられていることにより、比較的大きい電力量の消費を示すことが予測される場合、この活動モニタによって供給される電流の量を、そのトランジスタP1、P2、N1およびN2の1つまたは複数のアスペクト比、典型的には幅Wのみを調整することにより、増加させることが可能である。より幅広のトランジスタP1、P2、N1およびN2を用いることができる、1つの可能な適用は、クロック信号CLKのスイッチング活動のモニタに関連するものである。これは、そのnQ出力、すなわちその逆ロジックQ出力が、そのD入力に接続されている、図示されないダミーのフリップフロップを加え、通常は高いことが予測されるそのスイッチング活動、すなわち電力消費をモニタすることにより、達成することができる。   One way to set the amount of current generated by the activity monitor 20 uses the aspect ratio, ie the ratio of the gate width W to the length L of the transistors P1, P2, N1 and N2 determined in the design and manufacturing stages. Is. Thus, if a particular activity monitor is expected to exhibit a relatively large amount of power consumption because it is associated with a monitor of a large portion of the circuit, the amount of current supplied by this activity monitor is It can be increased by adjusting only one or more aspect ratios, typically width W, of the transistors P1, P2, N1 and N2. One possible application in which wider transistors P1, P2, N1 and N2 can be used relates to monitoring the switching activity of the clock signal CLK. This adds a dummy flip-flop (not shown) whose nQ output, i.e. its inverse logic Q output, is connected to its D input and monitors its switching activity, i.e. power consumption, which is normally expected to be high. This can be achieved.

活動モニタ20により生成される電流の量を制御する1つの方法は、主なトランジスタP1、P2、N1およびN2と並列に接続された、図示されない追加的なトランジスタを、操作可能にインまたはアウトにスイッチすることである。当業者には、多くの技術を用いて、個別またはグループのトランジスタP1、P2、N1およびN2により生成される電流を、設定および/または制御することが可能であることが、理解されるであろう。活動モニタ20により生成される電流を設定および/または制御する能力を有することは、利点を有する。このような利点の1つは、活動モニタが、その電流出力に、関連するロジックブロックの、例えば、機能、サイズ、および/または電力消費等に対して、ウェイトをかけることができることである。他の利点は、活動モニタ20からの電流を、その出力経路50に関連する寄生効果を克服するように、設定/制御できることである。   One way to control the amount of current generated by the activity monitor 20 is to operably in or out additional transistors, not shown, connected in parallel with the main transistors P1, P2, N1 and N2. Is to switch. Those skilled in the art will appreciate that many techniques can be used to set and / or control the current generated by individual or groups of transistors P1, P2, N1 and N2. Let's go. Having the ability to set and / or control the current generated by the activity monitor 20 has advantages. One such advantage is that the activity monitor can weight its current output with respect to the associated logic block, eg, function, size, and / or power consumption. Another advantage is that the current from the activity monitor 20 can be set / controlled to overcome parasitic effects associated with its output path 50.

活動モニタ20の動作/反応の速度は、その出力電流が、電流経路に関連付けられた、寄生またはそれ以外の任意のキャパシタンスの充電に必要な時間によってのみ制限される。このようなキャパシタンスが、例えば電流経路の長さに起因して大きい場合、図示されない1つまたは複数の電流ミラーを、操作可能に配置して、このようなキャパシタンスを打ち消し、よって動作の速度/反応を増加させることもできる。この、寄生すなわち優勢な容量性の効果を克服する代わりの方法を、活動モニタ20からの電流を設定および/または制御する方法の代わりに、またはそれに加えることのいずれかで、使用することができる。一連の活動モニタ20からの電流を制御する代わりに、電流ミラーなどの増幅器を使うことの1つの利点は、すべてのトランジスタP1、P2、N1およびN2のアスペクト比を、最小に維持することができることである。これは、フリップフロップごとに、面積ならびに電力消費および浪費を小さくすることに役立つ。本発明によると、活動モニタを、4つの最小サイズのトランジスタを用いて構築することの利点は、以下のように強調することができる。典型的には、各D型フリップフロップは、それ自体が、約30個のトランジスタによって作製される。4つのトランジスタ活動モニタ20を、典型的なD型フリップフロップに含むことの面積オーバーヘッド(area overhead)は、したがって、4/30=13.3%であり、これ自体は、さほど大きな負担ではない。しかしながら、活動モニタ20が典型的に用いられるIC設計の適用の大部分において含まれる余分なトランジスタの数は、ICを構成するトランジスタの合計数のおよそ数分の1である。   The speed of operation / response of the activity monitor 20 is limited only by the time required for its output current to charge a parasitic or any other capacitance associated with the current path. If such capacitance is large, for example due to the length of the current path, one or more current mirrors (not shown) are operably placed to counteract such capacitance and thus the speed / response of operation. Can also be increased. An alternative method of overcoming this parasitic or dominant capacitive effect can be used, either in place of or in addition to the method of setting and / or controlling the current from the activity monitor 20. . One advantage of using an amplifier such as a current mirror instead of controlling the current from the series of activity monitors 20 is that the aspect ratio of all transistors P1, P2, N1 and N2 can be kept to a minimum. It is. This helps to reduce area and power consumption and waste for each flip-flop. According to the present invention, the advantages of building an activity monitor with four minimum size transistors can be emphasized as follows. Typically, each D-type flip-flop is itself made up of about 30 transistors. The area overhead of including four transistor activity monitors 20 in a typical D-type flip-flop is therefore 4/30 = 13.3%, which in itself is not a significant burden. However, the number of extra transistors included in most IC design applications in which the activity monitor 20 is typically used is approximately a fraction of the total number of transistors that make up the IC.

活動モニタ20a〜20eの1つまたは複数からの電流を、スイッチング活動に応じて生成させたが、ここで、望まれる場合、電流対電圧、I/V、トランスデューサを使用して、この電流を電圧に変換することができる。   A current from one or more of the activity monitors 20a-20e was generated in response to the switching activity, where current, voltage, I / V, transducers were used to voltage this current, if desired. Can be converted to

図6aを参照すると、回路10の出力端子50が、図示されるようなレジスタ60などの抵抗素子、または代わりに、その直線領域にて動作する図示されないNMOSトランジスタを介して、マイナス供給レール(negative supply rail)GNDに接続される。電流は、マイナス供給レールGNDに、レジスタ60を介して流れ、これは、活動モニタ20a〜20eからの電流に比例する出力電圧Vaを、レジスタ60に生成する。   Referring to FIG. 6a, the output terminal 50 of the circuit 10 is connected to a negative supply rail (negative) via a resistive element such as the resistor 60 as shown, or alternatively through an NMOS transistor (not shown) operating in its linear region. supply rail) connected to GND. Current flows to the negative supply rail GND through the resistor 60, which produces an output voltage Va in the resistor 60 that is proportional to the current from the activity monitors 20a-20e.

ここで図6bを参照すると、回路10の出力端子50が、マイナス供給レールGNDに、キャパシタ62を介して接続される。また、図6bには、キャパシタ62に並列に接続されたNMOSトランジスタN3も示されている。このトランジスタN3は、スイッチとして機能し、このスイッチは、操作可能に制御され、キャパシタ62を放電、すなわちリセットまたは初期化する。スイッチN3がオープンであると想定すると、活動モニタ20a〜20eから流れる電流が集積して、キャパシタ62を充電し、その結果、活動モニタ20a〜20eをソースとする電流の合計量に比例する出力電圧Vaが、キャパシタ62に生じる。スイッチN3が、操作可能に閉じられると直ちに、キャパシタ62の両方の端子が、マイナス供給レールGNDに接続され、これにより、キャパシタ62が放電され、典型的には、このイベントは、集積の開始時に発生し、それは、通常は各クロックサイクルの開始時である。スイッチN3が、再び操作可能に開き、電流が、活動モニタ20a〜20eから流れると、キャパシタ62は、再び、活動モニタ20a〜20eをソースとする電流に比例する出力電圧Vaの充電と生成を開始する。出力電圧Vaのピーク値は、所定の集積時間、すなわち、キャパシタ62の充電期間中に回路10により消費されるエネルギーを反映する。トランジスタN3は、例えば、そのゲート端子を、クロック信号CLKを受信するように接続させてもよい。本発明の好適な実施形態においては、出力電圧Vaを、トランジスタP1、P2、N1、N2が、導通時に、それぞれの飽和領域における動作を保証する値よりも下に維持することを、確実にすることが望まれる。当業者によって、このような動作条件は、容易に理解され、したがって、その後に特定の適用に適合できるであろう。   Referring now to FIG. 6 b, the output terminal 50 of the circuit 10 is connected to the negative supply rail GND via a capacitor 62. 6b also shows an NMOS transistor N3 connected in parallel with the capacitor 62. This transistor N3 functions as a switch, which is operably controlled to discharge, ie reset or initialize, the capacitor 62. Assuming that switch N3 is open, the current flowing from activity monitors 20a-20e accumulates and charges capacitor 62, resulting in an output voltage proportional to the total amount of current sourced from activity monitors 20a-20e. Va is generated in the capacitor 62. As soon as the switch N3 is operably closed, both terminals of the capacitor 62 are connected to the negative supply rail GND, thereby discharging the capacitor 62, and typically this event occurs at the start of integration. Occurs, usually at the beginning of each clock cycle. When switch N3 is operably opened again and current flows from activity monitors 20a-20e, capacitor 62 again begins to charge and generate output voltage Va proportional to the current sourced from activity monitors 20a-20e. To do. The peak value of the output voltage Va reflects the energy consumed by the circuit 10 during a predetermined integration time, that is, during the charging period of the capacitor 62. For example, the gate terminal of the transistor N3 may be connected to receive the clock signal CLK. In a preferred embodiment of the invention, it is ensured that the output voltage Va is maintained below the value that guarantees operation in the respective saturation region when the transistors P1, P2, N1, N2 are conducting. It is desirable. Such operating conditions will be readily understood by those skilled in the art and can therefore be adapted to specific applications afterwards.

ここで図5を参照すると、活動モニタ20a〜20eの出力は、ハミング距離(Humming distance)のアナログ計算を、回路10の現在のロジック状態と、その次のロジック状態の間で行なう。当業者に知られるように、このハミング距離は、回路10の平均電力消費に相互関連付けされる。   Referring now to FIG. 5, the outputs of activity monitors 20a-20e perform an analog calculation of the humming distance between the current logic state of circuit 10 and the next logic state. As is known to those skilled in the art, this Hamming distance is correlated to the average power consumption of the circuit 10.

本発明の1つのさらなる利点は、活動モニタ20a〜20eが、また、フリップフロップ12の端子にて起こり得るスイッチングの過渡事象(transients)に応じて、電流を生成することである。したがって、回路10の出力端子50における、結果として生じる電圧Vaの波形は、クロックごとのその過渡的な電力消費も、より正確に反映する。   One further advantage of the present invention is that the activity monitors 20a-20e also generate currents in response to switching transients that may occur at the terminals of the flip-flop 12. Thus, the resulting waveform of the voltage Va at the output terminal 50 of the circuit 10 more accurately reflects its transient power consumption per clock.

回路10は、図7に示されるように、説明の容易さおよび簡潔さのために、ロジック70と活動モニタ72の2つの別個の部分に分けられている。ロジック70は、それぞれ、先の各図内のすべての好適なフリップフロップ12および組み合わせロジック14,16を表しており、一方で、活動モニタ72は、それぞれ、先の各図内のすべての好適な個別モニタ20を表している。また、図7では、コントローラ74が示されている。   The circuit 10 is divided into two separate parts, a logic 70 and an activity monitor 72, for ease of explanation and simplicity, as shown in FIG. Logic 70 represents each suitable flip-flop 12 and combinational logic 14, 16 in each previous figure, while activity monitor 72, respectively, represents all suitable flip-flops in each previous figure. The individual monitor 20 is shown. In FIG. 7, a controller 74 is shown.

コントローラ74は、活動モニタ72から出力電圧Vaを受信し、これに応じて、ロジック70を、全体または一部のいずれかにおいて、例えばその供給電圧、クロック周波数、および/またはしきい値電圧を、単独であるか様々な組み合せであるかにかかわらず、変えることにより、操作可能に制御する。   The controller 74 receives the output voltage Va from the activity monitor 72 and, in response, the logic 70, either in whole or in part, for example, its supply voltage, clock frequency, and / or threshold voltage. Regardless of whether it is a single or various combinations, it can be controlled by changing it.

当業者には、図7に示されるブロック図は、大きなICの場合、ICの様々な領域全体に複製および分配できることが、理解されるであろう。例えば、ロジック70は、3つの別個の要素である処理、メモリ、入力/出力を有してもよく、これら3つの要素のそれぞれは、その専用のロジック、活動モニタおよび/またはコントローラを持つことができる。このような変化を開示することで、他のこのような組み合わせも、容易に想像可能であり、したがって、必要に応じて、個別の特定の必要性を満たすように適合させることができる。   Those skilled in the art will appreciate that the block diagram shown in FIG. 7 can be replicated and distributed across various regions of the IC for large ICs. For example, logic 70 may have three separate elements, processing, memory, input / output, each of which may have its own logic, activity monitor and / or controller. it can. By disclosing such changes, other such combinations are readily conceivable and can therefore be adapted to meet individual specific needs as needed.

当業者によって理解されるであろう、本発明の他の利点は、電力消費の予測に関するものである。フリップフロップ12の動作により、各活動モニタ20のそれぞれの出力信号Vaは、各クロック期間に対する、回路の実際の電力消費の基準を提供する。各出力信号Vaは、2つの有用な情報を含む。第1に、過去に関する情報、すなわち関連するフリップフロップにおいて、現在のクロック期間中に、何回の状態変化が起こったか、を提供し、第2に、未来に関する情報、すなわちフリップフロップに関係する何回の状態変化が、次のクロック期間に生成されるか、を提供する。したがって、活動モニタの出力信号Vaは、実際に、将来の電力消費、すなわちその関連する回路のスイッチング活動を、それが起こる前に予測する。さらに、所定の電力レベルが超えられそうな、または超えられた状況を、検出することができる。このような予測から、性能を上げるための事前の反応および何らかの戦略の開始が可能となる。   Another advantage of the present invention that will be appreciated by those skilled in the art relates to predicting power consumption. Due to the operation of the flip-flop 12, the respective output signal Va of each activity monitor 20 provides a reference for the actual power consumption of the circuit for each clock period. Each output signal Va contains two useful pieces of information. First, it provides information about the past, i.e., how many state changes have occurred in the associated flip-flop during the current clock period, and second, information about the future, i.e., what relates to the flip-flop. State change is generated in the next clock period. Thus, the activity monitor output signal Va actually predicts future power consumption, ie the switching activity of its associated circuit, before it occurs. In addition, situations where a predetermined power level is likely to be exceeded or exceeded can be detected. Such a prediction allows advance reaction and start of some strategy to improve performance.

本発明に関連する他の利点は、活動モニタ20の出力信号Vaが、入力データの所定のストリームに対するグリッチング活動(glitching activity)を含む電力消費の波形プロファイルまたはサインを提供する、という事実に由来する。図示されていないものの、このような波形プロファイルまたはサインを、次いでリアルタイムまたはそれ以外のいずれかで分析し、例えば、当該の回路のロジック挙動を変化させないが、潜在的に危険となり得る何らかの異常を、決定してもよい。さらに、例えば所定の命令またはルーチンの実行などの、活動モニタの出力信号Vaを記録し、このデータを平均化することにより、このイベントに関連する平均電力消費の基準を、確立することができる。この情報を、次いでハイレベルコントローラ74により使用し、例えば、ハードウェアおよび/またはソフトウェアのいずれかと共に、状況に応じて回路を制御することができる。ハードウェア制御は、通常、異なる回路またはその部分をインおよび/またはアウトにスイッチする形を取ることができる。ソフトウェア制御は、通常、代わりの命令またはルーチンの実行の形を取ることができる。   Another advantage associated with the present invention stems from the fact that the output signal Va of the activity monitor 20 provides a waveform profile or sign of power consumption that includes glitching activity for a given stream of input data. . Although not shown, such a waveform profile or signature is then analyzed either in real time or otherwise, for example, any anomalies that do not change the logic behavior of the circuit in question but can be potentially dangerous, You may decide. Further, by recording the activity monitor output signal Va, eg, execution of a predetermined instruction or routine, and averaging this data, a baseline for average power consumption associated with this event can be established. This information can then be used by the high-level controller 74 to control the circuit depending on the situation, for example with either hardware and / or software. Hardware control can typically take the form of switching different circuits or portions thereof in and / or out. Software control typically can take the form of execution of alternative instructions or routines.

図8を参照すると、このブロック図は、バッファ80と、活動モニタ72と、サンプルおよびホールド増幅器82と、電圧調整器84と、ロジック70とを示している。   Referring to FIG. 8, this block diagram shows a buffer 80, an activity monitor 72, a sample and hold amplifier 82, a voltage regulator 84, and logic 70.

入力データは、FIFOメモリ80内でバッファされ、FIFOメモリ80は、活動モニタ72およびロジック70に、操作可能な接続を有する。FIFOメモリは、入力データストリームを、これらがロジック回路70に加えられる前に受信する。本実施形態において、FIFOメモリ80の目的は、入力データの平均レートを、ロジック70の処理速度に適合させることである。図示されないが、FIFOメモリ80内の各フリップフロップ、すなわちシフトレジスタは、その固有の活動モニタ20を含むこともでき、したがって、FIFOメモリ80の活動をモニタすることにより、ロジック70の将来の活動に関する情報を得ることができ、このことは、電力消費の制御およびモニタにおいて有利である。   Input data is buffered in FIFO memory 80, which has an operable connection to activity monitor 72 and logic 70. The FIFO memory receives input data streams before they are added to the logic circuit 70. In the present embodiment, the purpose of the FIFO memory 80 is to adapt the average rate of input data to the processing speed of the logic 70. Although not shown, each flip-flop, or shift register, in the FIFO memory 80 may also include its own activity monitor 20, thus monitoring future activity of the logic 70 by monitoring the FIFO memory 80 activity. Information can be obtained, which is advantageous in controlling and monitoring power consumption.

各クロック期間中に、活動モニタ72からの出力信号Vaが、サンプリングされ、サンプルおよびホールド増幅器82によって、より適切な値へと再調整される。増幅器82の出力信号Vcは、電力供給調整器84に印加され、これに応じて、電力供給調整器84は、ロジック70の供給電圧VDDを、信号Vcに基づき、操作可能に増加または減少させる。   During each clock period, the output signal Va from the activity monitor 72 is sampled and readjusted to a more appropriate value by the sample and hold amplifier 82. The output signal Vc of the amplifier 82 is applied to the power supply regulator 84. In response, the power supply regulator 84 operably increases or decreases the supply voltage VDD of the logic 70 based on the signal Vc.

図9のブロック図は、マイクロプロセッサ90と、合計回路92と、比較器94と、周波数調整器96とを備える。   The block diagram of FIG. 9 includes a microprocessor 90, a summing circuit 92, a comparator 94, and a frequency adjuster 96.

マイクロプロセッサは、Nを整数とする一連の機能ユニットFU〜FUを、さらに備える。これらの機能ユニットは、例えばALU、乗算器、シフタ、デコーダ等を表し、これらの機能ユニットのそれぞれは、この特定の例において、その固有の対応する活動モニタAM〜AMを有する。活動モニタAM〜AMのそれぞれの出力信号は、その対応する機能ユニットのそれぞれが、所定の期間にわたり活動する基準であり、合計回路92に供給される。合計回路92は、活動モニタからのすべての入力信号の合計に対応する出力信号Vaを生成する。比較器は、‘しきい値’参照信号を、合計回路の出力信号Vaと共に受信し、合計回路92からの出力信号Vaは、しきい値基準信号と比較される。電圧Vaで表される、例えばNクロックサイクルの間に集積された活動が、しきい値電圧信号よりも大きい場合は、比較器の出力電圧信号Vbは、状態を変化させる。比較器94におけるこの状態変化は、周波数調整器96によって検出され、周波数調整器96は、これに対応して、クロック信号CLK’を、マイクロプロセッサに対して操作可能に調整し、活動モニタAM〜AMの出力信号に対応する。 Microprocessor, a set of functional units FU 1 ~FU N for the N is an integer, further comprising. These functional units represent, for example, ALUs, multipliers, shifters, decoders, etc., each of which has its own corresponding activity monitor AM 1 -AM N in this particular example. The output signals of each of the activity monitors AM 1 -AM N are the criteria by which their corresponding functional units are active over a predetermined period of time and are supplied to the summing circuit 92. A summing circuit 92 generates an output signal Va corresponding to the sum of all input signals from the activity monitor. The comparator receives a 'threshold' reference signal along with the output signal Va of the summing circuit, and the output signal Va from the summing circuit 92 is compared with the threshold reference signal. If the activity represented by voltage Va, for example during N clock cycles, is greater than the threshold voltage signal, the comparator output voltage signal Vb changes state. This change of state in the comparator 94 is detected by the frequency adjuster 96, which correspondingly adjusts the clock signal CLK ′ to be operative to the microprocessor and the activity monitor AM 1. corresponding to the output signal of-Am N.

図10のブロック図は、バッファ80と、活動モニタ72と、ルックアップ表を含むアナログ−デジタル変換器100と、3つのスイッチS1〜S3と、ロジック70とを示している。   The block diagram of FIG. 10 shows a buffer 80, an activity monitor 72, an analog-to-digital converter 100 including a look-up table, three switches S1-S3, and logic 70.

入力データは、活動モニタ72およびロジック70への操作可能な接続を有するFIFOメモリ80内でバッファされる。活動モニタ72からの出力信号Vaは、ルックアップ表も含むアナログ−デジタル変換器100に供給され、デジタルワードに変換される。デジタルワードは、次いで、ルックアップ表に入力され、ルックアップ表は、スイッチS1、S2およびS3それぞれの最良の状態の条件を決定する。この特定の実証例では、各スイッチS1、S2およびS3は、それぞれロジック70に、2つの可能な値、トランジスタしきい値電圧ハイVtまたはトランジスタしきい値電圧ローVt、クロック周波数ハイFまたはクロック周波数ローF、および供給電圧ハイVDDまたは供給電圧ローVDDを供給する。したがって、測定された活動レベルVaおよびルックアップ表の内容に準じて、供給電圧、トランジスタしきい値電圧および/またはクロック周波数の最良の組み合わせを、スイッチS1〜S3を介して選択することができる。明らかに、上の記述から、スイッチS1〜S3のいずれかまたはすべてが、示された3つ以上の個別のレベルを有することが明白である。 Input data is buffered in a FIFO memory 80 that has an operable connection to the activity monitor 72 and logic 70. The output signal Va from the activity monitor 72 is supplied to an analog-to-digital converter 100 that also includes a look-up table and converted to a digital word. The digital word is then entered into a lookup table, which determines the best state conditions for each of the switches S1, S2 and S3. In this particular demonstrative example, each switch S1, S2 and S3 each has a logic 70 with two possible values: transistor threshold voltage high Vt H or transistor threshold voltage low Vt L , clock frequency high F H Alternatively, the clock frequency low F L and the supply voltage high VDD H or the supply voltage low VDD L are supplied. Thus, the best combination of supply voltage, transistor threshold voltage and / or clock frequency can be selected via switches S1-S3 according to the measured activity level Va and the contents of the look-up table. Obviously, from the above description, it is clear that any or all of the switches S1-S3 have more than two individual levels shown.

要約すると、本発明で開示される活動モニタは、例えば、平均の電力消費に対する電子回路の動作条件を固定することが便利でないか、または可能である適用において、有用となることができ、平均電力消費は、シミュレーションおよび/または統計的分析から、大部分を決定することができる。このような場合、変化する消費にこれらの条件を適合させる制御方式を用いる本発明の主題が、有利となる。さらに、回路の電力消費および計算上の必要性が、しばしば、入力データまたは実行されるアルゴリズムに強く依存し、このような場合、速度と電力の間での何らかの交換も、有利である。   In summary, the activity monitor disclosed in the present invention can be useful, for example, in applications where it is not convenient or possible to fix the operating conditions of an electronic circuit for average power consumption, and the average power Consumption can be determined largely from simulation and / or statistical analysis. In such cases, the subject matter of the present invention using a control scheme that adapts these conditions to changing consumption is advantageous. Furthermore, the power consumption and computational needs of the circuit are often highly dependent on the input data or the algorithm being executed, in which case some exchange between speed and power is also advantageous.

本発明によると、活動モニタの出力信号は、クロックサイクルごと、またはNを整数とするNクロックサイクルごとに、電力消費に関する情報を提供する。得られる情報は、一定の状況では2倍となる。シーケンシャルロジックの性質により、情報は、過去から、および未来に向けて、収集することができる。過去からは、このような情報は、現在のクロックサイクルまたは過去のNクロックサイクルの間に生成された、フリップフロップ入力におけるロジック状態変化の数に関係する。このような情報は、将来の電力消費に関して予測を行なうこと可能にするため、有益かつ有利である。将来に対し、このような情報は、次のクロック期間に生成されるフリップフロップ出力におけるロジック状態変化の数に関係する。この将来のロジック変化を予測できる能力は、電力消費、性能または両方を向上させる場合に有利である。   According to the present invention, the output signal of the activity monitor provides information regarding power consumption every clock cycle or every N clock cycles where N is an integer. The information obtained is doubled in certain situations. Due to the nature of sequential logic, information can be collected from the past and into the future. Historically, such information is related to the number of logic state changes at the flip-flop input generated during the current clock cycle or the past N clock cycles. Such information is beneficial and advantageous because it allows predictions regarding future power consumption. For the future, such information is related to the number of logic state changes in the flip-flop output generated in the next clock period. This ability to predict future logic changes is advantageous when improving power consumption, performance, or both.

なお、上述の実施形態は、本発明を、限定よりもむしろ例示するものであり、また、当業者は、多くの代わりの実施形態を、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、設計可能であることに留意されたい。特許請求の範囲においては、括弧内に置かれるどのような参照符号も、特許請求の範囲の限定としては解釈されないものとする。“備える”等の単語は、どの請求項または明細書全体において列記されるもの以外の要素またはステップの存在を除外しない。単一の要素の参照は、このような要素の複数の参照を除外せず、その逆も同様である。本発明は、いくつかの個別の要素を備えるハードウェアによって、および適切にプログラムされたコンピュータによって実施してもよい。いくつかの手段を列挙する装置請求項においては、これら手段のいくつかは、1つかつ同一のハードウェアの製品によって具体化してもよい。ある種の基準が、互いに異なる従属請求項において述べられる、という単なる事実は、これらの基準の組み合わせを効果的に使用することができない、ということを示すものではない。   It should be noted that the above-described embodiments are illustrative of the invention rather than limiting, and that those skilled in the art can design many alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. Please note that. In the claims, any reference signs placed between parentheses shall not be construed as limiting the claim. The word “comprising” does not exclude the presence of elements or steps other than those listed in any claim or specification. A single element reference does not exclude a plurality of such element references and vice versa. The invention may be implemented by hardware comprising a number of individual elements and by a suitably programmed computer. In the device claim enumerating several means, several of these means may be embodied by one and the same item of hardware. The mere fact that certain criteria are set forth in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these criteria cannot be used effectively.

本発明の原理の非限定的な例として意図される図面において、
図1は、典型的な最先端のデジタル回路を示している。 図2は、本発明に係る電子回路の概略的な実施形態を示している。 図3は、本発明に係る電子回路の他の実施形態を示している。 図4は、本発明に係る電子回路のさらに他の実施形態を示している。 図5は、本発明に係る電子回路が組み込まれた図1のデジタル回路を示している。 図6aは、従来技術のトランスコンダクタを示している。 図6bは、従来技術のトランスコンダクタを示している。 図7は、本発明に係る電子回路の基本的なシステムブロック図を示している。 図8は、本発明に係る電圧制御に用いられる電子回路のブロック図を示している。 図9は、本発明に係る周波数制御に用いられる電子回路のブロック図を示している。 図10は、本発明に係る電力消費の制御に用いられる電子回路の概略的なブロック図を示している。
In the drawings intended as a non-limiting example of the principles of the present invention,
FIG. 1 shows a typical state-of-the-art digital circuit. FIG. 2 shows a schematic embodiment of an electronic circuit according to the invention. FIG. 3 shows another embodiment of the electronic circuit according to the present invention. FIG. 4 shows still another embodiment of the electronic circuit according to the present invention. FIG. 5 shows the digital circuit of FIG. 1 incorporating an electronic circuit according to the present invention. FIG. 6a shows a prior art transconductor. FIG. 6b shows a prior art transconductor. FIG. 7 shows a basic system block diagram of an electronic circuit according to the present invention. FIG. 8 shows a block diagram of an electronic circuit used for voltage control according to the present invention. FIG. 9 shows a block diagram of an electronic circuit used for frequency control according to the present invention. FIG. 10 shows a schematic block diagram of an electronic circuit used for controlling power consumption according to the present invention.

Claims (6)

少なくとも1つのシーケンシャルロジック素子を含む電子回路であって、
前記シーケンシャルロジック素子が、
クロック信号を受信するための少なくとも1つのクロック端子と、
入力信号を受信するための少なくとも1つの入力端子と、
出力信号を供給するための少なくとも1つの出力端子と、
を備えるとともに、
当該電子回路は、
前記入力信号および前記出力信号をモニタし、前記入力信号および前記出力信号に応じて制御信号を供給する回路と、
当該電子回路の電力消費を前記制御信号に応じて制御するための手段と、
をさらに備える、ことを特徴とする電子回路。
An electronic circuit comprising at least one sequential logic element,
The sequential logic element is
At least one clock terminal for receiving a clock signal;
At least one input terminal for receiving an input signal;
At least one output terminal for supplying an output signal;
With
The electronic circuit is
A circuit that monitors the input signal and the output signal and supplies a control signal in response to the input signal and the output signal;
Means for controlling power consumption of the electronic circuit in response to the control signal;
An electronic circuit characterized by further comprising:
前記クロック信号により決定されるレートで制御されることが可能である、ことを特徴とする請求項1に記載の電子回路。   The electronic circuit according to claim 1, wherein the electronic circuit can be controlled at a rate determined by the clock signal. 将来の電力消費に関連する情報を供給することが可能である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電子回路。   The electronic circuit according to claim 1 or 2, characterized in that it can supply information relating to future power consumption. 過去のロジカルイベントに基づいて、事前に将来の電力消費を制御可能にさせる能力がある、ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電子回路。   The electronic circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the electronic circuit has a capability of making it possible to control future power consumption in advance based on a past logical event. 請求項1に記載の電子回路を含むことを特徴とする装置。   An apparatus comprising the electronic circuit according to claim 1. 少なくとも1つのシーケンシャルロジック素子を含む電子回路の電力消費を制御する方法であって、
前記シーケンシャルロジック素子が、
クロック信号を受信するための少なくとも1つのクロック端子と、
入力信号を受信するための少なくとも1つの入力端子と、
出力信号を供給するための少なくとも1つの出力端子と、
を備えており、
当該方法が、
前記入力信号および出力信号をモニタするステップと、
前記入力信号および出力信号に応じて制御信号を供給するステップと、
前記制御信号に応じて前記電力消費を操作可能に制御するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
A method for controlling power consumption of an electronic circuit including at least one sequential logic element comprising:
The sequential logic element is
At least one clock terminal for receiving a clock signal;
At least one input terminal for receiving an input signal;
At least one output terminal for supplying an output signal;
With
The method is
Monitoring the input and output signals;
Supplying a control signal in response to the input signal and the output signal;
Operably controlling the power consumption in response to the control signal;
A method comprising the steps of:
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